JP2015109789A - Power generation system and method with fault ride through capability - Google Patents

Power generation system and method with fault ride through capability Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation system and method with fault ride through capability.SOLUTION: A power generation system 40 includes a generator 42 mechanically coupled to an engine 60 to generate electrical power, and a fault ride through system connected between the generator and a power grid 44. The fault ride through system 46 includes a mechanical switch 54 connected in parallel with a solid state switch 52 and a resistor 53 to absorb power from the generator during a grid fault condition. The mechanical switch and the solid state switch are controlled in coordination with the engine.

Description

本発明は一般的に電気エネルギー変換に関し、より具体的には、低慣性モーメントで電力網に接続された小型発電機セットのフォールトライドスルー機能のためのシステムおよび方法に関する。   The present invention relates generally to electrical energy conversion, and more particularly to a system and method for a fall rid-through function of a small generator set connected to a power grid with a low moment of inertia.

従来の電力システムでは、電力のほとんどは化石燃料発電所(石炭、ガス発電)、原子力発電所、または水力発電所などのような大規模集中型の施設で生成される。これらの従来の発電所はスケール上の優れた経済性を有しているが、通常は電気を長距離伝送し環境に影響を与えることがある。分散型エネルギーリソース(DER)システムは従来の電力システムの代替または拡張を提供するために使用される小型発電機セット(典型的には3キロワットから10,000キロワットの範囲)である。小型発電機セットは、例えばガスエンジン、ディーゼルエンジンまたは風力タービンにより発電されてもよい。DERシステムでは電気が使用される場所に非常に近いところで生成されるため、電力を伝送する際に失われるエネルギーの量を減少させる。DERシステムはまた設置しなければならない電力線のサイズおよび数を減少させる。しかしながら、小型発電機セットを使用する分散発電への増加傾向により、多くのグリッドコードがフォールト電圧ライドスルーのような拡張機能を提供するために小型発電機セットを必要としている。   In conventional power systems, most of the power is generated in large-scale centralized facilities such as fossil fuel power plants (coal, gas power generation), nuclear power plants, or hydroelectric power plants. Although these conventional power plants have excellent economies of scale, they usually transmit electricity over long distances and can affect the environment. A distributed energy resource (DER) system is a small generator set (typically in the range of 3 kilowatts to 10,000 kilowatts) used to provide an alternative or extension to conventional power systems. The small generator set may be generated by a gas engine, a diesel engine or a wind turbine, for example. Since DER systems are generated very close to where electricity is used, they reduce the amount of energy lost when transmitting power. The DER system also reduces the size and number of power lines that must be installed. However, due to the increasing trend towards distributed generation using small generator sets, many grid cords require small generator sets to provide enhanced features such as fault voltage ride-through.

電力システム内で障害が発生した際に、システム内の電圧は障害が排除されるまでの短い期間(典型的には500ミリ秒未満)の間かなりの量で低下する可能性がある。障害はグランドに接続されている少なくとも1つの相導体(地絡)または2つまたは複数の相導体の短絡により引き起こされ得る。障害のこれらのタイプは落雷や風嵐の間に、または事故によりグランドに接続されている伝送線路により起こり得る。障害は重大な電圧降下事象を結果としてもたらす可能性がある。過去において、これらの不注意による障害および大規模電力障害状況下では、小型発電機セットは電圧降下が発生するたびにオフラインにトリップすることが許容されるおよび望まれていた。このような動作は小型発電機セットの普及率が低い際には電力供給に実際の有害な影響を有していない。しかしながら、電力システム内における小型発電機の普及が増加するのに合わせて、障害が排除された後に電力網に電力を供給し続けることができるようにするため、これらの小型発電機はオンラインに留まりおよびそのような低電圧状態をライドスルーし、および電力網との同期を維持することが望ましい。これは大型発電機セットに適用される要件と類似している。   When a fault occurs in the power system, the voltage in the system can drop in a significant amount for a short period of time (typically less than 500 milliseconds) before the fault is eliminated. The fault may be caused by at least one phase conductor (ground fault) connected to ground or a short circuit of two or more phase conductors. These types of faults can occur during lightning strikes, wind storms, or transmission lines connected to ground due to accidents. Faults can result in serious voltage drop events. In the past, under these inadvertent failures and large-scale power failure situations, small generator sets have been allowed and desired to trip offline whenever a voltage drop occurs. Such an operation has no actual detrimental effect on the power supply when the penetration rate of small generator sets is low. However, as the proliferation of small generators within the power system increases, these small generators remain online and can continue to supply power to the power grid after the fault is removed. It is desirable to ride through such low voltage conditions and maintain synchronization with the power grid. This is similar to the requirements that apply to large generator sets.

したがって、前述の問題に対処する方法およびシステムを決定することが望ましい。   Therefore, it is desirable to determine a method and system that addresses the aforementioned problems.

米国特許出願公開第2012/0175876号明細書US Patent Application Publication No. 2012/0175876

本技術の実施形態によれば、発電システムが提供される。発電システムは電力を発生させるためにエンジンに機械的に結合された発電機を含む。発電システムはまた発電機および電力網との間に接続されたフォールトライドスルーシステムを含む。フォールトライドスルーシステムは網障害状態中に発電機から電力を吸収するソリッドステートスイッチおよび抵抗に並列に接続された機械式スイッチを含む。発電システムでは、機械式スイッチおよびソリッドステートスイッチはエンジンと連携して制御される。   According to an embodiment of the present technology, a power generation system is provided. The power generation system includes a generator mechanically coupled to the engine to generate power. The power generation system also includes a fault ride through system connected between the generator and the power grid. The fault ride through system includes a solid state switch that absorbs power from the generator during a network fault condition and a mechanical switch connected in parallel with the resistor. In the power generation system, the mechanical switch and the solid state switch are controlled in cooperation with the engine.

本技術の別の実施形態によれば、発電システムから電力網に電力を供給する方法が提供される。発電システムは発電機および電力網との間に接続され、機械式スイッチおよびソリッドステートスイッチと並列に接続された抵抗を含むフォールトライドスルーシステムを含む。方法は障害が検出された際に機械式スイッチを開とするように、障害が所定時間後に排除された場合に機械式スイッチを閉とするように制御することを含む。方法はまた機械式スイッチが開とされた後および所定時間となる前にソリッドステートスイッチまたは抵抗を介して発電機電流のバイパス経路を提供すること、およびソリッドステートスイッチと連携してエンジンのイグニッションを制御することを含む。   According to another embodiment of the present technology, a method for supplying power from a power generation system to a power grid is provided. The power generation system is connected between the generator and the power grid and includes a fall rid through system including a resistor connected in parallel with the mechanical switch and the solid state switch. The method includes controlling to open the mechanical switch when a fault is detected, and to close the mechanical switch when the fault is eliminated after a predetermined time. The method also provides a bypass path for generator current via a solid-state switch or resistor after the mechanical switch is opened and before a predetermined time, and works with the solid-state switch for engine ignition. Including controlling.

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は以下の詳細な説明が図面を通して同様の文字が同様の部分を表す添付図面を参照して読まれる際により良い理解となるであろう。   These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings in which like characters represent like parts throughout the drawings, wherein:

障害の直前、期間中および直後のグリッドコード定義の電圧プロフィールのプロットである。FIG. 4 is a plot of a grid profile with voltage profiles immediately before, during and immediately after a fault. 本開示の態様による電力網に接続された発電システム、およびフォールトライドスルーシステムの利用の概略表示である。2 is a schematic representation of the use of a power generation system connected to a power grid and a fall-through-through system according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるフォールトライドスルー動作のある段階の概略表示である。2 is a schematic representation of certain stages of a fall-through operation according to aspects of the present disclosure.

以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態は低慣性モーメントで電力網に接続された小型発電機セットのフォールトライドスルー機能のためのシステムおよび方法を提供するように機能する。   As will be described in detail below, embodiments of the present invention function to provide a system and method for a fall rid-through function of a small generator set connected to a power grid with a low moment of inertia.

図1は発電機の電力網への接続ポイント(POC)でのグリッドコード電圧プロフィーイルの例のプロット10を示す。網当局のいくつかはPOCでの電圧が図示される電圧プロフィーイルよりも高い場合に発電機が網から切り離されるべきではないことを期待する。しかしながら、これは1つの例示的な場合であり、電圧プロフィーイルの要件は国によってまたは網当局によって変更してもよい。プロット10はミリ秒単位の時間を表す横軸12および公称電圧のパーセンテージで電圧を表す縦軸14示している。障害は0ミリ秒で発生している。障害の前、システムは安定した状態であり、そのためPOCでの障害前電圧16、すなわち0ミリ秒以前は100%または単位当たり1である。網内の障害によって、0ミリ秒での電圧18は障害の最初でわずか5%にまで低下する。POCでの電圧降下はPOCまでの障害の距離、故障インピーダンス、障害の種類、網の特性等に依存することに留意すべきである。一実施形態では、電圧は5%未満であってもよく、または別の実施形態では、電圧は5%より大きくてもよい。   FIG. 1 shows a plot 10 of an example grid code voltage profile at a point of connection (POC) to a generator power grid. Some of the network authorities expect that the generator should not be disconnected from the network if the voltage at the POC is higher than the voltage profile shown. However, this is one exemplary case, and voltage profile requirements may vary from country to country or from network authorities. Plot 10 shows a horizontal axis 12 representing time in milliseconds and a vertical axis 14 representing voltage in percentage of nominal voltage. The failure occurs in 0 milliseconds. Before the failure, the system is in a stable state, so the pre-failure voltage at POC 16 is 100% or 1 per unit before 0 milliseconds. Due to a fault in the network, the voltage 18 at 0 milliseconds drops to only 5% at the beginning of the fault. It should be noted that the voltage drop at the POC depends on the distance of the fault to the POC, fault impedance, fault type, network characteristics, etc. In one embodiment, the voltage may be less than 5%, or in another embodiment, the voltage may be greater than 5%.

電圧が図1に示すようなレベルに下がった際には、発電機は低電圧状態の間網にフルパワーをエクスポートすることができない可能性がある。同時に、原動機が発電機に一定の機械的動力を供給し続ける場合、これはエンジン発電機の回転質量の加速を結果としてもたらすであろうし、およびロータ速度が増加するであろう。ロータ速度の増加は同期の損失をもたらす可能性がある同期発電機のロータ角度の過度の増加を結果としてもたらすであろう。したがって、発電機はトリップし、グリッドコード要件を満たすことはないであろう。一部の国では、グリッドコード要件が厳しく、発電機はより長い障害時間をライドスルーする必要があり得る。本技術の一実施形態によれば、抵抗およびエンジン制御と組み合わせてソリッドステートスイッチを用いたフォールト電圧ライドスルーシステムが前述の問題に対処するために開示される。   When the voltage drops to a level as shown in FIG. 1, the generator may not be able to export full power to the network during low voltage conditions. At the same time, if the prime mover continues to provide constant mechanical power to the generator, this will result in acceleration of the engine generator's rotational mass and the rotor speed will increase. Increasing the rotor speed will result in an excessive increase in the rotor angle of the synchronous generator, which can result in loss of synchronization. Therefore, the generator will trip and will not meet the grid code requirements. In some countries, grid code requirements are stringent and generators may need to ride through longer fault times. According to one embodiment of the present technology, a fault voltage ride-through system using solid state switches in combination with resistance and engine control is disclosed to address the aforementioned problems.

図2は本発明の実施形態によるフォールトライドスルーシステム46を利用する電力網44に接続された発電システム40を示す。発電システム40は原動機60および電力網44に接続された発電機42を備える。一実施形態では、発電機42は小さな定格電力、例えば10MW未満である。さらに、発電機はタービンまたはエンジンであり得る原動機60に機械的に結合される。一実施形態では、エンジン60はガスタービンまたはガスエンジンまたは風力タービンを備える。いくつかの実施形態では、発電機42は電力変換器(図示せず)を介して電力網44に結合されるであろうし、他の実施形態では発電機42は任意の電力変換器なしで電力網44に結合されるであろう。発電機42はフォールトライドスルーシステム46を介して電力網44、変圧器48、および伝送線路50に接続されてもよい。図2に示される構成は例示の目的のみのためであり、別の実施形態では、フォールトライドスルーシステム46は変圧器48および電力網44との間に接続されてもよいことに留意すべきである。図2は説明を容易にするために電気系統の単線図を示していることに留意すべきである。フォールトライドスルーシステム46はソリッドステートスイッチ52、抵抗53、機械式スイッチ54およびコントローラ56を含む。コンポーネント、ソリッドステートスイッチ52、抵抗53および機械式スイッチ54がすべて互いに並列に接続されるのに対して、フォールトライドスルーシステム46は発電機42と直列に接続される。一実施形態では、ソリッドステートスイッチ52は集積ゲート整流サイリスタ(IGCT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)または交流用トライオード(TRIAC)を備えていてもよい。コントローラ56は1つ以上の入力信号58を受信し、制御信号をソリッドステートスイッチ52、機械式スイッチ54およびエンジン60に提供する。一実施形態では、入力信号58は電圧信号、電流信号、発電機電力信号、速度信号、ロータ角度信号、エンジン出力信号、エンジントルク信号またはこれらの任意の組み合わせのいずれかを備える。コントローラはシステム上で障害が発生したか否かを判断するために入力信号58を使用し、障害が発生した場合にエンジン60、ソリッドステートスイッチ52および機械式スイッチ54の動作を制御するための制御信号を提供する。   FIG. 2 illustrates a power generation system 40 connected to a power grid 44 that utilizes a fall rid through system 46 according to an embodiment of the present invention. The power generation system 40 includes a generator 42 connected to a prime mover 60 and a power grid 44. In one embodiment, the generator 42 has a small rated power, for example less than 10 MW. Further, the generator is mechanically coupled to a prime mover 60, which can be a turbine or an engine. In one embodiment, engine 60 comprises a gas turbine or gas engine or wind turbine. In some embodiments, the generator 42 will be coupled to the power grid 44 via a power converter (not shown), and in other embodiments the generator 42 may be connected to the power grid 44 without any power converter. Will be coupled to. The generator 42 may be connected to the power grid 44, the transformer 48, and the transmission line 50 via a fault ride through system 46. It should be noted that the configuration shown in FIG. 2 is for illustrative purposes only, and in another embodiment, the fault laid through system 46 may be connected between the transformer 48 and the power grid 44. . It should be noted that FIG. 2 shows a single line diagram of the electrical system for ease of explanation. The fault ride through system 46 includes a solid state switch 52, a resistor 53, a mechanical switch 54 and a controller 56. The component, solid state switch 52, resistor 53 and mechanical switch 54 are all connected in parallel to each other, while the fall rid through system 46 is connected in series with the generator 42. In one embodiment, the solid state switch 52 may comprise an integrated gate rectifying thyristor (IGCT), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or an alternating current triode (TRIAC). Controller 56 receives one or more input signals 58 and provides control signals to solid state switch 52, mechanical switch 54 and engine 60. In one embodiment, the input signal 58 comprises any of a voltage signal, a current signal, a generator power signal, a speed signal, a rotor angle signal, an engine output signal, an engine torque signal, or any combination thereof. The controller uses the input signal 58 to determine whether a failure has occurred on the system, and controls to control the operation of the engine 60, solid state switch 52 and mechanical switch 54 in the event of a failure. Provide a signal.

動作中において、通常状態の間ソリッドステートスイッチ52が非導通またはオフ状態であるのに対し、機械式スイッチ54は導通またはオン状態である。網内に障害がある際には、発電機の接続ポイント(POC)62での電圧が大幅に低下する。POCでの低電圧状態が閾値時間継続した場合、発電機42は発電機ロータおよび網との間の大きな角度により非常に高い電流に晒され得る。したがって、発電機はこれらの高電流から自身を守るために網から切断するであろう。発電機ロータおよび網との間の成長角度もまた発電機および網との間の同期の損失につながる可能性があり、発電機を網から切り離すことも必要になるであろう。しかしながら、グリッドコードフォールトライドスルー要件を満たすために、障害が排除されおよびPOCでの電圧が障害発生前のレベルに回復した後、発電機は網への接続を維持しおよび網に電力を供給し続けることができるべきである。換言すれば、障害状態中にPOCでの電圧がグリッドコードにより与えられた電圧プロフィール以上である限り発電機速度およびロータ角度は許容範囲内に留まるべきである。   In operation, solid state switch 52 is non-conductive or off during normal conditions, while mechanical switch 54 is conductive or on. When there is a fault in the network, the voltage at the generator connection point (POC) 62 drops significantly. If the low voltage condition at the POC continues for a threshold time, the generator 42 may be exposed to very high currents due to the large angle between the generator rotor and the mesh. The generator will therefore disconnect from the net to protect itself from these high currents. The growth angle between the generator rotor and the net may also lead to loss of synchronization between the generator and the net, and it will be necessary to disconnect the generator from the net. However, to meet the grid code fall-through-through requirement, after the fault is eliminated and the voltage at the POC is restored to the pre-failure level, the generator maintains the connection to the network and supplies power to the network. You should be able to continue. In other words, the generator speed and rotor angle should remain within acceptable limits as long as the voltage at the POC is above the voltage profile given by the grid code during a fault condition.

電力網内の障害事象によるPOCでの電圧降下はコントローラ56により検出され、POCでの低電圧状態の間発電機が網に供給できる電力が限られるため、発電機42を加速から減速させるまたは停止させるために発電機42に接続されるエンジン60を電力を低減させるようにトリガする(例えば、エンジンイグニッションを部分的にまたは完全にスイッチオフする)。特定の場合には、イグニッションが再度オンにされる前に特定の期間(例えば、1つ以上のエンジンサイクル)よりも長くオフにされていない場合にのみ、ガスエンジンの安定した動作が可能である。本技術の実施形態によるフォールトライドスルーシステム46は、発電機がライドスルーしなければならない、低電圧状態の期間がエンジンイグニッションをスイッチオフに保持することができる最大時間よりも長いところでそのような発電機セットがグリッドコード要件を満たすようにすることができる。   The voltage drop at the POC due to a fault event in the power grid is detected by the controller 56 and the generator 42 can be decelerated from acceleration or stopped because the power that the generator can supply to the network during the low voltage condition at the POC is limited. To trigger the engine 60 connected to the generator 42 to reduce power (eg, partially or completely switch off the engine ignition). In certain cases, stable operation of the gas engine is possible only if the ignition is not turned off longer than a certain period of time (eg, one or more engine cycles) before being turned on again. . A fall rid-through system 46 according to embodiments of the present technology provides for such power generation where the duration of the low voltage condition that the generator must ride through is longer than the maximum time that the engine ignition can be held off. The machine set can meet grid code requirements.

一実施形態では、コントローラ56が障害によりエンジン60に動力を低減させるためにトリガする際ほぼ同時に、機械式スイッチ54もスイッチオフにトリガされ、ソリッドステートスイッチ52もスイッチオンにトリガされる。一例として、ソリッドステートスイッチ52は数マイクロ秒でスイッチオンにすることができるが、機械式スイッチ54のスイッチオフはトリガ後にミリ秒の範囲(例えば、30ミリ秒から100ミリ秒の間)となるであろう。   In one embodiment, almost simultaneously when the controller 56 triggers the engine 60 to reduce power due to a fault, the mechanical switch 54 is also triggered to switch off and the solid state switch 52 is also triggered to switch on. As an example, solid state switch 52 can be switched on in a few microseconds, but mechanical switch 54 is switched off in the millisecond range (eg, between 30 milliseconds and 100 milliseconds) after triggering. Will.

一旦機械式スイッチ54が完全にオフ状態になると、抵抗53に比較してそのごくわずかなオン抵抗のため、合計電流はソリッドステートスイッチ52を通ってリダイレクトされる。再びエンジンイグニッションがオンにされた際、コントローラ56はソリッドステートスイッチ52を通って流れる電流を制御することにより抵抗53を通って流れる電流の調節を開始する。この方法では発電機42と直列の抵抗53の実効的な抵抗値の調節を結果としてもたらす。発電機42と直列の抵抗53の実効値を変化させることにより、障害発生中の発電機の加速度、速度およびロータ角度を調節することができる。換言すれば、障害状態中および機械式スイッチが開となった後に、発電機電流はソリッドステートスイッチおよび抵抗にリダイレクトされる。さらに、抵抗53を通る電流はソリッドステートスイッチ52を通る電流を制御することにより調節され、これにより抵抗53内のエンジンパワーを部分的にまたは完全に消費させる。   Once the mechanical switch 54 is fully off, the total current is redirected through the solid state switch 52 due to its negligible on resistance compared to the resistor 53. When the engine ignition is turned on again, the controller 56 begins regulating the current flowing through the resistor 53 by controlling the current flowing through the solid state switch 52. This method results in an effective resistance adjustment of the resistor 53 in series with the generator 42. By changing the effective value of the resistor 53 in series with the generator 42, the acceleration, speed and rotor angle of the generator during the failure can be adjusted. In other words, the generator current is redirected to the solid state switch and resistor during a fault condition and after the mechanical switch is opened. Further, the current through resistor 53 is adjusted by controlling the current through solid state switch 52, thereby consuming part or all of the engine power in resistor 53.

障害が所定の時間内に排除され、POCでの電圧が発電機が網に電力を供給することができる許容可能なレベルに戻っている場合には、エンジンイグニッションはスイッチバックオンされ、まだ部分的にまたは完全にオフとなっている場合には、機械式スイッチ54はスイッチオンされるようにトリガされる。同時に、ソリッドステートスイッチ52は、例として抵抗53を短絡するために引き続きオン位置に配置する、または発電機速度またはロータ角度を調節するためコントローラ56により制御され続ける、のいずれかであり得る。最終的に、機械式スイッチ54がオン状態である際には、ソリッドステートスイッチ52はコントローラ56によりオフ位置に配置され、フォールトライドスルーシステム46を障害イベント前の通常状態中の初期状態に戻す。しかしながら、障害が所定の時間内に排除されず、およびPOCでの電圧がグリッドコードにより与えられた電圧プロフィールを下回っている場合、その時にはエンジンは完全にオフになるようにトリガされ電力網44から切断され、最終的に発電機42により電力網44に何の電力供給もされない結果となる。   If the fault is eliminated within a given time and the voltage at the POC is back to an acceptable level at which the generator can power the network, the engine ignition is switched back on and still partially Or when it is completely off, the mechanical switch 54 is triggered to be switched on. At the same time, the solid state switch 52 can either be placed in the ON position to short the resistor 53 by way of example, or continue to be controlled by the controller 56 to adjust the generator speed or rotor angle. Eventually, when the mechanical switch 54 is in the on state, the solid state switch 52 is placed in the off position by the controller 56 to return the fall-through through system 46 to its initial state during the normal state prior to the failure event. However, if the fault is not eliminated within a given time and the voltage at the POC is below the voltage profile given by the grid code, then the engine is triggered to turn off completely and disconnected from the power grid 44. As a result, no power is supplied to the power grid 44 by the generator 42 in the end.

障害時に抵抗53で消費される有効電力は抵抗両端の電圧に依存し、および一般的にはVr2/Rで与えられ、ここでVrは抵抗両端の二乗平均平方根(RMS)電圧でありおよびRは抵抗の抵抗値である。このように、Vrが0.3puであり、Rが0.1 puである場合に、次にソリッドステートスイッチ52がオフ状態であると想定した可変抵抗器で消費される電力は発電機により供給される総電力とほぼ同等である0.9puになるであろう。換言すれば、この場合抵抗53はエンジンにより発電機に供給される動力の最大90%を消費する可能性があり、これにより低電圧状態中の発電機の加速度をかなり減少させる。このように、発電機はその回転速度またはロータ角度を許容範囲内に維持することができ、および障害中または障害後に網から切断する必要がない。 The active power consumed by resistor 53 in the event of a fault depends on the voltage across the resistor and is generally given by Vr 2 / R, where Vr is the root mean square (RMS) voltage across the resistor and R Is the resistance value of the resistor. As described above, when Vr is 0.3 pu and R is 0.1 pu, the power consumed by the variable resistor that is assumed to be in the OFF state of the solid state switch 52 is supplied by the generator It will be 0.9 pu, which is almost equivalent to the total power being done. In other words, resistor 53 in this case can consume up to 90% of the power supplied to the generator by the engine, thereby significantly reducing the generator's acceleration during low voltage conditions. In this way, the generator can maintain its rotational speed or rotor angle within an acceptable range and does not need to be disconnected from the network during or after a failure.

図3(a)から図3(f)は本開示の態様によるフォールトライドスルー動作の様々な段階を示す。図3(a)は機械式スイッチ54が導通し、およびソリッドステートスイッチ52が導通していない場合のみの通常状態または無障害状態(t<0)を示す。この段階中では、発電機電流70はソリッドステートスイッチ52を通ってではなく機械式スイッチ54のみを通って流れる。機械式スイッチ54は抵抗53を短絡するので、電流は抵抗53を通っても流れない。t=0で(図3(b))、網内で障害イベントが発生し、およびt=20ミリ秒で(図3(c))、障害イベントはフォールトライドスルーシステムにより検出される。一実施形態では、障害イベントは電圧が指定された時間の間に指定された低い値を下回った場合に検出されてもよい。他の実施形態では、障害イベントは電圧信号、電流信号、速度信号、電力信号、トルク信号またはロータ角度信号またはこれらの任意の組み合わせに基づいて検出されてもよい。図3(b)および図3(c)に見ることができるように、これらの段階の間、発電機電流70は制御動作が開始されていないため依然として機械式スイッチ54を通って流れる。なおここで示したタイミング(すなわち、t=0、20、120ミリ秒等)は例示目的のためのみであり、他の実施形態では、タイミングはシステムおよび制御パラメータに基づいてもよいことに留意すべきである。さらに、t=20ミリ秒で障害イベントがフォールトライドスルーシステムにより検出される際には、第1の制御信号が発電機エンジンにそのイグニッションを部分的にまたは完全にスイッチオフにするために送信され、同時にまたはしばらく後に第2の制御信号が機械式スイッチ54にそれを開とするために送信される。ソリッドステートスイッチ52のスイッチオン時間は機械式スイッチ54のスイッチオフ時間に比べてはるかに短いため、ソリッドステートスイッチ52をスイッチオンにする第3の制御信号もまたt=20ミリ秒でまたは若干の遅れで送信されてもよい。しかしながら、ソリッドステートスイッチ52は機械式スイッチ54が完全にスイッチオフにされる十分前にスイッチオンにされるべきである。この間、発電機電流70はソリッドステートスイッチ52および機械式スイッチ54の両方を通って流れてもよい。   FIGS. 3 (a) through 3 (f) illustrate various stages of a fall rid through operation according to aspects of the present disclosure. FIG. 3A shows a normal state or a fault-free state (t <0) only when the mechanical switch 54 is conductive and the solid-state switch 52 is not conductive. During this phase, the generator current 70 flows only through the mechanical switch 54 and not through the solid state switch 52. Since the mechanical switch 54 shorts the resistor 53, no current flows through the resistor 53. At t = 0 (FIG. 3 (b)), a failure event occurs in the network, and at t = 20 milliseconds (FIG. 3 (c)), the failure event is detected by the fall rid through system. In one embodiment, a fault event may be detected when the voltage falls below a specified low value for a specified time. In other embodiments, the fault event may be detected based on a voltage signal, current signal, speed signal, power signal, torque signal or rotor angle signal, or any combination thereof. As can be seen in FIGS. 3 (b) and 3 (c), during these phases, the generator current 70 still flows through the mechanical switch 54 because no control action has been initiated. Note that the timing shown here (ie, t = 0, 20, 120 milliseconds, etc.) is for illustrative purposes only, and in other embodiments, the timing may be based on system and control parameters. Should. In addition, when a fault event is detected by the fault ride through system at t = 20 milliseconds, a first control signal is sent to the generator engine to partially or fully switch its ignition off. At the same time or after a while, a second control signal is sent to the mechanical switch 54 to open it. Since the switch-on time of the solid-state switch 52 is much shorter than the switch-off time of the mechanical switch 54, the third control signal that switches on the solid-state switch 52 is also at t = 20 milliseconds or some It may be transmitted with a delay. However, the solid state switch 52 should be switched on well before the mechanical switch 54 is completely switched off. During this time, generator current 70 may flow through both solid state switch 52 and mechanical switch 54.

図3(d)はt=120ミリ秒で機械式スイッチ54が完全にスイッチオフになりソリッドステートスイッチ52がスイッチオンになっていることを示す。一実施形態では、エンジンイグニッションもまた機械式スイッチ54が完全に開となった後スイッチオンとなるように命令される。これはエンジンイグニッションがより長い期間(例えば、1つ以上のエンジンサイクル)スイッチオフにすることができない実施形態で一般的に行われる。一実施形態では、ソリッドステートスイッチ52の導通時間が制御される。換言すれば、ソリッドステートスイッチ52を通る電流は制御され、および残りの発電機電流70は抵抗53を通って流れる。したがって、抵抗53で消費される電力量はソリッドステートスイッチを制御することにより制御することができる。コントローラ56の目的は、一例として公称同期速度に発電機の速度を調節することである。これは抵抗53内で消費される「制動力」の量を変化させることにより達成される。コントローラ56の他の制御目的は同期発電機のロータ角度をまたはPOCで網に供給される電力を調節することであり得る。   FIG. 3 (d) shows that at t = 120 milliseconds, mechanical switch 54 is completely switched off and solid state switch 52 is switched on. In one embodiment, the engine ignition is also commanded to switch on after the mechanical switch 54 is fully open. This is typically done in embodiments where engine ignition cannot be switched off for longer periods (eg, one or more engine cycles). In one embodiment, the conduction time of the solid state switch 52 is controlled. In other words, the current through the solid state switch 52 is controlled and the remaining generator current 70 flows through the resistor 53. Therefore, the amount of power consumed by the resistor 53 can be controlled by controlling the solid state switch. The purpose of the controller 56 is to adjust the generator speed to the nominal synchronous speed, as an example. This is accomplished by changing the amount of “braking force” consumed in the resistor 53. Another control purpose of the controller 56 may be to adjust the rotor angle of the synchronous generator or the power supplied to the network at the POC.

障害が所定の時間、例えばt=250ミリ秒より前に排除される場合であって、まだ部分的にまたは完全にスイッチオフの場合には、コントローラはエンジンにそのイグニッションを完全にスイッチオンにする第1の制御信号を送信し、および同時に第2の制御信号が機械式スイッチ54にそれを閉とするようにトリガするために送信される。コントローラ56は機械式スイッチ54が、例えばt=551ミリ秒で完全に閉となるまでソリッドステートスイッチ52を制御し続ける。ソリッドステートスイッチ52はその後スイッチオフとなり、図3(e)に示すように、障害イベント前の通常の動作状態が復元される。   If the fault is eliminated before a predetermined time, eg t = 250 milliseconds, and if it is still partially or completely switched off, the controller switches the ignition fully on to the engine. A first control signal is transmitted and at the same time a second control signal is transmitted to trigger the mechanical switch 54 to close it. The controller 56 continues to control the solid state switch 52 until the mechanical switch 54 is fully closed, for example at t = 551 milliseconds. The solid state switch 52 is then switched off, and the normal operating state before the failure event is restored as shown in FIG.

障害が依然として所定の時間、例えばt=250ミリ秒で排除されていない、またはPOCでの電圧がグリッドコードにより与えられた電圧プロフィールを下回っている場合、エンジンは完全にスイッチオフになるようにトリガされる。ソリッドステートスイッチ52は同時にまたはしばらく後(例えば、発電機が回転を停止した後)にスイッチオフにトリガされ、電流70が図3(f)に示すように抵抗53だけを通って流れ、およびエンジン動力は最終的にエンジン60がスイッチオフにされ、および網から切断されるまで完全にまたは部分的に抵抗で消費される。   If the fault is still not eliminated at a given time, eg t = 250 milliseconds, or if the voltage at the POC is below the voltage profile given by the grid code, the engine will trigger to switch off completely Is done. The solid state switch 52 is triggered to switch off simultaneously or after some time (eg, after the generator has stopped rotating), and the current 70 flows through only the resistor 53 as shown in FIG. The power is consumed completely or partially in resistance until the engine 60 is finally switched off and disconnected from the net.

本明細書では本発明の特定の特徴のみを例示し説明してきたが、多くの修正および変更が当業者には想到されるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の真の趣旨内に入るこのようなすべての修正および変更を包含するものであることを理解されたい。   While only certain features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. Accordingly, it is to be understood that the claims are intended to cover all such modifications and changes as fall within the true spirit of the invention.

10 例示的グリッドコード電圧プロフィールのプロット
12 横軸
14 縦軸
16 障害前電圧
18 障害時電圧
40 発電システム
42 発電機
44 電力網
46 フォールトライドスルーシステム
48 変圧器
50 伝送線路
52 ソリッドステートスイッチ
53 抵抗
54 機械式スイッチ
56 コントローラ
58 入力信号
60 原動機/エンジン
62 接続ポイント(POC)
70 発電機電流
10 Plot of exemplary grid code voltage profile 12 Horizontal axis 14 Vertical axis 16 Pre-failure voltage 18 Fault-time voltage 40 Power generation system 42 Generator 44 Power grid 46 Fault ride-through system 48 Transformer 50 Transmission line 52 Solid state switch 53 Resistance 54 Machine Type switch 56 controller 58 input signal 60 prime mover / engine 62 connection point (POC)
70 Generator current

Claims (20)

発電システム(40)であって、
電力を発生させるためにエンジン(60)に機械的に結合された発電機(42)と、
前記発電機(42)および電力網(44)との間に接続されたフォールトライドスルーシステム(46)であって、前記フォールトライドスルーシステム(46)は網障害状態中に前記発電機(42)から電力を吸収するためのソリッドステートスイッチ(52)および抵抗(53)と並列に接続された機械式スイッチ(54)を備える、フォールトライドスルーシステム(46)と、
を備え、
前記機械式スイッチ(54)および前記ソリッドステートスイッチ(52)は前記エンジン(60)と連携して制御される、
発電システム(40)。
A power generation system (40),
A generator (42) mechanically coupled to the engine (60) for generating electric power;
A fall fold through system (46) connected between the generator (42) and a power grid (44), wherein the fold ride through system (46) from the generator (42) during a network fault condition. A fall-through-through system (46) comprising a solid state switch (52) for absorbing power and a mechanical switch (54) connected in parallel with a resistor (53);
With
The mechanical switch (54) and the solid state switch (52) are controlled in cooperation with the engine (60).
Power generation system (40).
前記エンジン(60)はガスタービンまたはガスエンジンまたは風力タービンを備える請求項1に記載の発電システム(40)。   The power generation system (40) of claim 1, wherein the engine (60) comprises a gas turbine or a gas engine or a wind turbine. 前記網障害状態が検出された際に前記機械式スイッチ(54)を制御するための第1の制御信号、前記エンジン(60)のイグニッションを制御するための第2の制御信号および前記ソリッドステートスイッチ(52)を制御するための第3の制御信号を生成するコントローラ(56)をさらに備える請求項1に記載の発電システム(40)。   A first control signal for controlling the mechanical switch (54) when the network fault condition is detected, a second control signal for controlling an ignition of the engine (60), and the solid state switch The power generation system (40) of claim 1, further comprising a controller (56) that generates a third control signal for controlling (52). 前記コントローラ(56)は前記網障害が検出された際に前記機械式スイッチ(54)をスイッチオフにし、および前記網障害が所定時間後に排除された場合に前記機械式スイッチ(54)をスイッチオンにするように構成される請求項3に記載の発電システム(40)。   The controller (56) switches off the mechanical switch (54) when the network fault is detected, and switches on the mechanical switch (54) when the network fault is eliminated after a predetermined time. The power generation system (40) of claim 3, wherein the power generation system (40) is configured to: 前記コントローラ(56)は前記障害状態が前記所定時間後に排除された場合に、前記ソリッドステートスイッチ(52)をスイッチオフにするように構成される請求項4に記載の発電システム(40)。   The power generation system (40) of claim 4, wherein the controller (56) is configured to switch off the solid state switch (52) when the fault condition is eliminated after the predetermined time period. 前記コントローラ(56)は前記網障害が検出された際に指定された時間の間、前記エンジンのイグニッションを部分的にまたは完全にスイッチオフにするように構成される請求項4に記載の発電システム(40)。   The power generation system of claim 4, wherein the controller (56) is configured to partially or completely switch off the ignition of the engine for a specified time when the network fault is detected. (40). 前記コントローラ(56)は前記障害状態が前記所定時間で排除されず、および前記発電機(42)が停止となる場合に、前記機械式スイッチ(54)および前記ソリッドステートスイッチ(52)を非導通状態に保持するように構成される請求項6に記載の発電システム(40)。   The controller (56) disconnects the mechanical switch (54) and the solid state switch (52) when the fault condition is not eliminated in the predetermined time and the generator (42) is shut down. The power generation system (40) of claim 6, configured to be held in a state. 前記コントローラ(56)は前記抵抗(53)を流れる電流を変化させることにより、前記発電機(42)の速度またはロータ角度を調整するために前記ソリッドステートスイッチ(52)を制御するように構成される請求項3に記載の発電システム(40)。   The controller (56) is configured to control the solid state switch (52) to adjust the speed or rotor angle of the generator (42) by changing the current flowing through the resistor (53). The power generation system (40) according to claim 3. 前記コントローラ(56)は入力信号(58)に基づいて前記障害状態を検出するように構成される請求項3に記載の発電システム(40)。   The power generation system (40) of claim 3, wherein the controller (56) is configured to detect the fault condition based on an input signal (58). 前記コントローラ(56)は前記入力信号(58)に基づいて前記ソリッドステートスイッチ(52)および前記エンジン(60)を制御する請求項9に記載の発電システム(40)。   The power generation system (40) of claim 9, wherein the controller (56) controls the solid state switch (52) and the engine (60) based on the input signal (58). 前記入力信号(58)は電圧信号、電流信号、発電機電力信号、速度信号、ロータ角度信号、エンジン出力信号、トルク信号、またはこれらの任意の組み合わせのいずれかを備える請求項10に記載の発電システム(40)。   The power generation of claim 10, wherein the input signal (58) comprises any of a voltage signal, a current signal, a generator power signal, a speed signal, a rotor angle signal, an engine output signal, a torque signal, or any combination thereof. System (40). 前記ソリッドステートスイッチ(52)は集積ゲート整流サイリスタ(IGCT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)または交流用トライオード(TRIAC)を備える請求項1に記載の発電システム(40)。   The power generation system (40) of claim 1, wherein the solid state switch (52) comprises an integrated gate rectifying thyristor (IGCT), an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or an alternating current triode (TRIAC). 発電機(42)および電力網(44)との間に接続されたフォールトライドスルーシステム(46)を備える発電システム(40)から前記電力網(44)に電力を供給する方法であって、前記フォールトライドスルーシステム(46)はソリッドステートスイッチ(52)およびに機械式スイッチ(54)と並列に接続された抵抗(53)を備え、
障害が検出された際に前記機械式スイッチ(54)を開とするように、および前記障害が所定時間後に排除された場合に前記機械式スイッチ(54)を閉とするように制御するステップと、
前記機械式スイッチ(54)が開とされた後、および前記所定時間の前に、前記ソリッドステートスイッチ(52)または前記抵抗(53)を介して発電機電流(70)のバイパス経路を提供するステップと、
前記ソリッドステートスイッチ(52)と連携して前記発電機(42)に連結されたエンジンのイグニッションを制御するステップと、
を備える方法。
A method of supplying power to a power grid (44) from a power generation system (40) comprising a fall rid through system (46) connected between a generator (42) and a power grid (44), the fault tide The slew system (46) comprises a solid state switch (52) and a resistor (53) connected in parallel with a mechanical switch (54),
Controlling the mechanical switch (54) to open when a fault is detected, and closing the mechanical switch (54) when the fault is eliminated after a predetermined time; ,
Provide a bypass path for generator current (70) through the solid state switch (52) or the resistor (53) after the mechanical switch (54) is opened and before the predetermined time period. Steps,
Controlling the ignition of an engine coupled to the generator (42) in cooperation with the solid state switch (52);
A method comprising:
前記障害が検出された際に、指定された時間の間、前記エンジン(60)の前記イグニッションを部分的にまたは完全にスイッチオフにするステップをさらに備える請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, further comprising partially or completely switching off the ignition of the engine (60) for a specified time when the fault is detected. 前記障害が前記所定時間後に排除されず、および前記発電機(42)が停止となる場合に、前記機械式スイッチ(54)および前記ソリッドステートスイッチ(52)をスイッチオフにするステップをさらに備える請求項13に記載の方法。   Further comprising switching off the mechanical switch (54) and the solid state switch (52) when the fault is not eliminated after the predetermined time and the generator (42) is shut down. Item 14. The method according to Item 13. 前記抵抗(53)を流れる電流を変化させることにより、前記発電機(42)の速度またはロータ角度を調節するためにソリッドステートスイッチ(52)を制御するステップをさらに備える請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, further comprising controlling a solid state switch (52) to adjust a speed or rotor angle of the generator (42) by changing a current flowing through the resistor (53). . 前記障害は入力信号(58)に基づいて検出される請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the fault is detected based on an input signal (58). 前記ソリッドステートスイッチ(52)および前記エンジン(60)は前記入力信号(58)に基づいて制御される請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the solid state switch (52) and the engine (60) are controlled based on the input signal (58). 前記入力信号(58)は電圧信号、電流信号、発電機電力信号、速度信号、ロータ角度信号、エンジン出力信号、トルク信号、またはこれらの任意の組み合わせのいずれかを備える請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the input signal (58) comprises any of a voltage signal, a current signal, a generator power signal, a speed signal, a rotor angle signal, an engine output signal, a torque signal, or any combination thereof. . 前記ソリッドステートスイッチ(52)は集積ゲート整流サイリスタ(IGCT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)または交流用トライオード(TRIAC)を備える請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the solid state switch (52) comprises an integrated gate rectifying thyristor (IGCT), an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or an alternating current triode (TRIAC).
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